无机化学电子教案稀土元素省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第十四章 镧系和锕系元素 第1页元素周期表元素周期表第2页镧系元素和锕系元素镧系元素和锕系元素概述概述稀土元素稀土元素核反应和超铀元素合成核反应和超铀元素合成本章要求本章要求第3页一、概述一、概述 ：f f区区元元素素包包含含周周期期系系中中LaLa系系元元素素（5757LaLa7070YbYb）和和AcAc系系元元素素（8989AcAc102102NoNo）共共2828种种元元素素，LaLa系系元元素素中中只只有有6161PmPm是人工合成，含有放射性，是人工合成，含有放射性，AcAc系元素都有放射性。系元素都有放射性。超超铀铀元元素素AcAc系系元元素素中中9292U U以以后后元元素素多多数数为为人人工工合合成成，称称超超铀铀元元素素，镎镎（NpNp）、钚钚（PuPu）自自然然界界中中有有微微量量存存在。在。稀稀土土元元素素B B中中钇钇（Y Y）、镥镥（LuLu）和和LaLa系系元元素素，共共1616种种元元素素性性质质相相同同。在在矿矿物物中中常常共共生生在在一一起起。故故总总称称为稀土元素，惯用为稀土元素，惯用RERE（Rare EarthRare Earth）表示。）表示。内内过过渡渡元元素素f f区区元元素素在在价价层层电电子子填填充充上上特特征征是是基基本本上上新新增增电电子子填填在在(n-2)f(n-2)f亚亚层层（即即倒倒数数第第三三层层f f亚亚层层上上），所以称内过渡元素。，所以称内过渡元素。概述概述 第4页概述概述（一）价层电子构型和氧化数：（一）价层电子构型和氧化数：LaLa系系元元素素价价层层电电子子构构型型普普通通为为4f4f1-141-145d5d0 01 16S6S2 2，其其中中LaLa（4f4f05d5d1 16S6S2 2，4f4f为为全全空空），GdGd（4f4f7 75d5d1 16S6S2 2，4f4f半半充充满满）及及Ce(4fCe(4f1 15d5d1 16S6S2 2)，5d5d轨轨道道上上有有1 1个个电电子子，其其余余LaLa系元素新增电子均在系元素新增电子均在4f4f轨道上。轨道上。在在氧氧化化数数上上，表表现现属属B B特特征征+3+3氧氧化化数数，另另外外还还有有+4+4及及+2+2氧氧化化数数表表现现，即即部部分分4f4f电电子子也也参参加加成成键键。不不一一样样LaLa系系元元素素它它们们在在氧氧化化数数稳稳定定性性上上不不一一样样，从从LaLaGdGd和从和从GdGdLuLu氧化数改变出现两个周期。氧化数改变出现两个周期。LaLa系元素中还有其它一些氧化数（系元素中还有其它一些氧化数（+4+4、+2+2）表现。）表现。第5页概述概述 AcAc系元素因为系元素因为5f5f、6d6d、7s7s轨道能级愈加靠轨道能级愈加靠近，电子跃迁更复杂，所以原子光谱复杂，故近，电子跃迁更复杂，所以原子光谱复杂，故AcAc系元素原子基态电子层结构确实定也较困难，系元素原子基态电子层结构确实定也较困难，氧化数：由此可知，氧化数有氧化数：由此可知，氧化数有+3+3，更有，更有+2+2、+4+4、+5+5、+6+6、+7+7等其它氧化数化合物。等其它氧化数化合物。（二）原子半径、离子半径和镧系收缩（二）原子半径、离子半径和镧系收缩1 1、原子半径：、原子半径：在在LaLa系系元元素素中中，因因为为4f4f电电子子对对原原子子核核屏屏蔽蔽效效应应较较大大，所所以以伴伴随随原原子子序序数数增增加加，有有效效核核电电荷荷迟迟缓缓增增大大，结结果果使使原原子子半半径径迟迟缓缓缩缩小小，这这种种现现象象称称为为LaLa系系收收缩缩。使使Eu（4f7）和和Yb（4f14）两个地方出现原子半径骤然增大现象。两个地方出现原子半径骤然增大现象。第6页概述概述第7页概述概述 LaLa系系元元素素原原子子半半径径在在EuEu、YbYb两两处处出出现现骤骤升升峰峰值值现现象象与与它它们们第第一一、二二、三三电电离离能能总总和和伴伴随随原原子子序序数数增增加加而而增增加加，但但在在EuEu、YbYb出出现现骤骤升升峰峰值值和和LaLa系系元元素素熔熔点点伴伴随随原原子子序序数数增增加加在在逐逐步步升升高高过过程程中中EuEu、YbYb处处出出现现陡陡降降谷谷值值现现象象合合在在一一起起，称称LaLa系元素性质递变系元素性质递变“双峰效应双峰效应”。2 2、离子半径、离子半径特特点点：LaLa3+3+离离子子半半径径在在86.886.8103.2Pm103.2Pm间间，比比相相同同氧氧化化数数其其它它金金属属离离子子较较大大（r r =53.5Pm=53.5Pm，r r =61.5Pm=61.5Pm，r =64.5Pmr =64.5Pm，r =63Pmr =63Pm）。）。第8页概述概述 La La3+3+半径改变十分规律，如图所表示，逐步减小，半径改变十分规律，如图所表示，逐步减小，不一样于原子半径有峰值出现，这是因为不一样于原子半径有峰值出现，这是因为LaLa3+3+已无已无6s6s和和5d5d电子最外层皆为电子最外层皆为5s5s2 25p5p6 6结构，随结构，随LaYbLaYb有效核电荷增有效核电荷增加，离子半径逐步减小。同时，有效核电荷增加比原子加，离子半径逐步减小。同时，有效核电荷增加比原子中显著，（因无中显著，（因无6s5d6s5d电子核受屏蔽减弱，使有效核电荷电子核受屏蔽减弱，使有效核电荷增加）。总共收缩了增加）。总共收缩了16.4Pm16.4Pm，（原子半径只收缩，（原子半径只收缩10.3Pm10.3Pm）。）。影影响响：因因为为LnLn3+3+所所带带电电荷荷相相同同，且且LnLn3+3+构构型型及及半半径径相相差差不不大大，所所以以LnLn3+3+性性质质极极为为相相同同：离离子子化化合合物物溶溶解解度度、氢氢氧氧化化物物酸酸碱碱性性、配配合合物物稳稳定定常常数数、离离子子晶晶体体晶晶格格能能等等彼彼此此都很靠近，从而造成都很靠近，从而造成LnLn3+3+间分离困难。间分离困难。第9页概述概述第10页概述概述3 3、LaLa系收缩后果：系收缩后果：受受其其影影响响，铕铕（EuEu）以以后后LaLa系系元元素素离离子子半半径径靠靠近近于于钇钇（Y Y），组组成成性性质质极极为为相相同同一一组组元元素素，称称为为钇钇组组元元素素，它它们们在在自自然然界界共共生生，性性质质十十分分相同，难于分离。相同，难于分离。受受其其影影响响，第第三三过过渡渡系系与与第第二二过过渡渡系系同同族族元元素素在在原原子子半半径径和和离离子子半半径径上上相相近近，其其中中尤尤以以B BZrZr和和HfHf，B BNbNb和和TaTa，B BMoMo和和W W更更为为相相近近，以以致致ZrZr和和HfHf、NbNb与与TaTa、MoMo和和W W性性质质非非常常相相同同，分离十分困难。分离十分困难。AcAc系元素也有系元素也有AcAc系收缩现象。系收缩现象。第11页概述概述（三）金属活泼性：（三）金属活泼性：LaLa系系单单质质均均为为活活泼泼金金属属，活活泼泼性性仅仅次次于于碱碱金金属而与属而与MgMg靠近，所以都是强还原剂。靠近，所以都是强还原剂。例例：不不太太高高温温度度下下，可可与与O O2 2、S S、ClCl2 2、N N2 2等等反反应应，所所以以冶冶金金工工业业中中惯惯用用作作脱脱硫硫剂剂，脱脱氧氧剂剂，在无线电真空技术中用吸气剂。在无线电真空技术中用吸气剂。与水作用，其置换出氢气。与水作用，其置换出氢气。与酸反应更激烈。与酸反应更激烈。AcAc系系金金属属也也是是活活泼泼金金属属和和强强还还原原剂剂，易易与与O O2 2、卤卤素素、酸酸等等反反应应。所所以以，制制取取方方法法：只只能能用用电电解解其其熔熔融融盐盐，或或高高温温下下用用活活泼泼金金属属（如如CaCa）还还原其卤化物方法。原其卤化物方法。第12页概述概述（四）离子颜色（四）离子颜色 许许多多LnLn3+3+在在晶晶体体和和水水溶溶液液中中都都有有颜颜色色，AcAc系系元元素素在在离离子子颜颜色色上上表表现现得得相相同同，因因均均为为f f电电子子对光吸收造成。对光吸收造成。第13页稀土元素稀土元素二、稀土元素二、稀土元素（一）稀土元素资源（一）稀土元素资源 我我国国稀稀土土资资源源有有五五大大特特点点：储储量量大大、分分布布广广、类型多、矿种多、品位高。类型多、矿种多、品位高。依依据据硫硫酸酸复复盐盐溶溶解解度度不不一一样样，可可将将稀稀土土元元素素分分为为铈组和钇组：铈组和钇组：铈铈组组（LaLa、CeCe、PrPr、NdNd、PmPm、SmSm、）硫硫酸酸复复盐较难溶盐较难溶 钇钇组组（EuEu、GdGd、TbTb、DyDy、Y Y、HoHo、ErEr、TmTm、YbYb、LnLn）硫酸复盐较易溶硫酸复盐较易溶 第14页稀土元素稀土元素（二）稀土元素提取：（二）稀土元素提取：因因为为稀稀土土元元素素及及其其+3+3价价态态化化合合物物性性质质很很相相同同，它它们们在在自自然然界界共共生生，且且在在矿矿物物中中又又常常与与杂杂质质元元素素（U U、ThTh、NbNb、TaTa、TiTi、ZrZr、SiSi、F F等等）伴生，分离难度大。伴生，分离难度大。1 1、溶剂萃取法：、溶剂萃取法：萃萃取取分分离离法法是是利利用用被被分分离离元元素素在在互互不不相相溶溶液液相中分配分配系数不一样来进行分离。相中分配分配系数不一样来进行分离。工工 业业 上上 已已 采采 取取 RECl3-HCl-P507煤煤 油油 体体 系系 和和RE(NO3)3-HNO3-P507煤油体系萃取分离煤油体系萃取分离15种稀土元素。种稀土元素。2 2、离子交换法（离子交换色层分离法）：、离子交换法（离子交换色层分离法）：第15页稀土元素稀土元素（三）稀土元素应用：（三）稀土元素应用：据据统统计计，当当前前世世界界稀稀土土有有70%70%左左右右消消耗耗于于材材料料方方面面。稀稀土土材材料料应应用用之之广广遍遍布布国国民民经经济济各各个个领领域域和和行行业业：冶冶金金、石石油油化化工工、轻轻工工、光光学学、磁磁学学、电电子子、生生物物医医疗疗和和原原子子能能工工业业等等。稀稀土土金金属属在在电电子子材材料料、原原子子能能材材料料、药药品品合合成成及及超超导导技技术术等等高高新新技技术术领领域域应应用用也也日日益益广广泛泛，稀稀土土储储氢氢材材料料（如如LaNi5，La2Mg17等等）用用于于H2储储运运、能源检验、制冷及提纯氢等方面。能源检验、制冷及提纯氢等方面。第16页核反应和超铀元素合成核反应和超铀元素合成三、核反应和超铀元素合成三、核反应和超铀元素合成 核核反反应应分分为为四四种种类类型型：放放射射性性衰衰变变、粒粒子子轰轰出原子核、核裂变及核聚变。出原子核、核裂变及核聚变。1 1、放射性衰变、放射性衰变 天天然然放放射射性性是是指指不不稳稳定定原原子子核核自自发发放放出出、射射线线现现象象。大大量量同同种种原原子子核核因因放放射射性性而而陆陆续续发发生生转转变变，使使处处于于原原状状态态核核数数目目不不停停以以下下三三种种：（1 1）衰衰变变 （2 2）衰衰变变 （3 3）衰衰变变 。人人工工放放射射性性核核素素还还有有其其它它衰衰变变方方式式，如如正正电子电子衰变、电子俘获等。衰变、电子俘获等。第17页核反应和超铀元素合成核反应和超铀元素合成2 2、放射性应用、放射性应用 放放射射性性核核素素射射线线含含有有高高能能量量，当当射射线线与与物物质质相相互互作作用用时时，物物质质受受到到激激发发，能能够够引引发发原原来来不不发发生生化化学学或或生生物物过过程程，促促进进或或抑抑制制化化学学或或生生物物过过程程改改变变。在在工工农农业业、医医学学卫卫生生、科科学学技技术术以及人类日常生活中利用放射性实例很多。以及人类日常生活中利用放射性实例很多。近近年年来来出出现现一一门门新新学学科科辐辐射射化化学学，专专门门研研究究物物质质因因受受高高能能电电离离射射线线影影响响而而产产生生化化学学效效应应，如如辐辐射射聚聚合合、辐辐射射接接枝枝、辐辐射射催催化化、辐辐射合成等。射合成等。第18页核反应和超铀元素合成核反应和超铀元素合成（二）粒子轰击原子核和新元素合成（二）粒子轰击原子核和新元素合成1 1、新元素合成、新元素合成 粒粒子子轰轰击击是是指指某某原原子子核核受受高高速速粒粒子子如如氦氦核核（）、质质子子（P P）、中中子子（n n）、氘氘核核（D D）、氚氚核核（T T）等等轰轰击击，变变成成另另一一个个原原子子核核，同同时时放放出出另另一一个个粒粒子子核核反反应应。利利用用这这类类核核反反应应可可人人工工取取得得超超铀铀元元素素。当当前前已已合合成成了了从从104104号号到到112112号号超超铀铀元元素素，19991999年年相相关关于于合合成成114114、116116和和118118号号元元素素报报道道，但但取取得得原原子子数数极极少少，寿寿命短，难以进行化学研究。命短，难以进行化学研究。2 2、新元素命名、新元素命名第19页核反应和超铀元素合成核反应和超铀元素合成（三）核裂变和原子弹（三）核裂变和原子弹 原原子子核核被被轰轰击击后后，分分裂裂为为较较轻轻裂裂块块和和较较重重裂裂块块，同同时时放放出出中中子子过过程程，称称为为核核裂裂变变。急急剧剧裂变反应会引发爆炸，从而可制原子弹。裂变反应会引发爆炸，从而可制原子弹。（四）核聚变和氢弹（四）核聚变和氢弹 一一些些质质量量很很轻轻化化学学元元素素（主主要要是是氢氢核核素素氘氘和和氚氚）原原子子核核，在在高高温温（亿亿度度以以上上）下下能能够够聚聚合合为为较较重重元元素素，同同时时放放出出大大量量能能量量，这这个个过过程程称称核聚变。核聚变。第20页基本要求基本要求 了了解解LaLa系系和和AcAc系系元元素素通通性性，我我国国稀稀土土元素概况及核反应类型元素概况及核反应类型 第21页